高分子dna納米薄膜及制備方法
【專利摘要】高分子DNA納米薄膜及制備方法，涉及一種利用天然陰離子聚合物材料在基板上制備納米薄膜的方法，本發(fā)明的方法包括下述步驟：1）基板的預處理及表面修飾；2）DNA溶液的配制；3）DNA分子涂布。將DNA水溶液稀釋至1×10-4M～1×10-7M后，均勻涂布于基板表面，形成高分子DNA薄膜。本發(fā)明制備的天然DNA納米薄膜不僅具有分散均勻、組分單一和沉積厚度可控等優(yōu)點。
【專利說明】高分子DNA納米薄膜及制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用天然陰離子聚合物材料在基板上制備納米薄膜的方法，特別是涉及一種以天然高分子DNA為標的材料制備的納米薄膜。
【背景技術】
[0002]天然高分子DNA作為生物體中廣泛存在的物質，在自然界賦存極為豐富。高分子DNA由于可生物合成再生、特有的雙螺旋分子結構等特點而倍受材料研究者關注。在傳統高分子科學領域，DNA作為一種新奇的功能高分子受到越來越多的關注，以DNA為基礎物質的材料科學正成為一個快速發(fā)展且充滿活力的新研究領域。以水產業(yè)的鮭魚精巢為例，精巢中DNA含量超過其總干重的10%，并且較易提取加工。鮭魚精巢作為一種水產業(yè)副產品，它通常被直接丟棄或被用作家畜飼料。鮭魚的捕撈和養(yǎng)殖產業(yè)每年為全世界提供超過240萬噸的鮭魚，約可生產3000噸以上的DNA。含量較大的DNA來源還包括鯡魚魚白、扇貝等，以及一些人工培養(yǎng)的微生物也可用來生產DNA。目前，海外已經有數家公司在出售天然DNA商品，總年產量約百噸。近年來，天然DNA已經廣泛應用于環(huán)境凈化、納米學、光電學和生物醫(yī)用材料等領域。
[0003]DNA作為生物學中最重要的大分子之一，其特有的生物，化學，物理特性，使其在單分子器件和納米電子器件研究領域具有不可估量的潛力，其中以DNA為模板制作納米材料和納米器件是一個重要的研究方向。在水溶液中DNA因雙螺旋結構和陰離子骨架間相互排斥作用，在大約IOOnm長的微觀水平呈硬直的剛性鏈段，但從DNA水溶液宏觀特性觀測，DNA分子又表現為柔性。這種微觀剛性、宏觀柔性的特點使無序且相互纏結的DNA團較易“梳理”為單一 DNA分子鏈，并伸展為直線狀。DNA作為功能材料使用存在困難，還存在很多尚未很好解決的問題，例如DNA為水溶性，在水中難以單獨使用；DNA分子直徑約2nm，長度可達幾十微米，但其機械強度很低；如何實現大分子DNA材料化，實現基于DNA分子功能材料產品的宏量制備等。這些缺 陷限制了 DNA的廣泛應用。本發(fā)明的目標是發(fā)展一種高密度，可控性高，高產率的宏量DNA高分子納米薄膜的制備方法，以克服天然DNA分子作為功能材料宏量使用的壁壘。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明基于DNA分子磷酸骨架帶負電的特性，發(fā)展了一種利用二氧化硅作為基板，通過基板氨基化修飾，將DNA分子通過靜電吸附組裝拉伸到基板表面，進而得到DNA分子薄膜的制備方法，對推進天然大分子DNA功能材料化具有重要的意義。
[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種分散均勻、組分單一和沉積厚度可控的高分子DNA納米薄膜制備方法，以及采用該方法制備得到的高分子DNA納米薄膜。
[0006]本發(fā)明解決所述技術問題采用的技術方案是，高分子DNA納米薄膜制備方法，其特征在于，包括下述步驟:
[0007]I)基板的預處理及表面修飾；[0008]2) DNA溶液的配制；
[0009]3) DNA分子涂布。將DNA水溶液稀釋至I X 10-4Μ~I X IO^7M后，均勻涂布于基板表面，形成高分子DNA薄膜。優(yōu)選的濃度范圍為I X KT5M~I X 10_6M。
[0010]進一步的，所述步驟I)包括:
[0011]1.1)基板預處理:強氧化劑溶液清洗基板，去除表面殘留有機物和雜質，并使基板
表面羥基化；
[0012]1.2)基板的表面修飾:將預處理后的基板以硅烷偶聯劑修飾，將基板表面氣基化。
[0013]更進一步的，所述步驟1.1)為:
[0014]首先，將基板置入丙酮溶液中，同時用超聲波對置于丙酮溶液中的基板清洗5~15min ；
[0015]其次，將清洗過的基板置入加熱至90°C的強氧化溶液中，以去除基板表面殘留的有機物和使基板表面發(fā)生羥基化；強氧化溶液使用濃硫酸和濃度為30%的H2O2，按濃硫酸:H2O2 (v/v) =3~7的體積配比配制；
[0016]最后，用大量清水沖洗基板表面。
[0017]所述步驟1.2)為:
[0018]首先，將3-氨丙基三甲氧基硅`烷(簡稱:APTMS)按體積比APTMS:乙醇(v/v)=1:3~1:5的比例緩慢加入純乙醇溶液中，混合均勻；
``[0019]其次，將預處理好的基板用水和乙醇各清洗一遍，晾干后，置入培養(yǎng)皿中的硅烷偶聯劑APTMS稀釋液中不少于6小時；
[0020]最后，將修飾過的基板取出后用乙醇和水輪流清洗干凈后置入清潔柜常溫晾干，待用。
[0021]因硅烷易于水解，不能長時間存放，最好現配現用，在短時間內用完。
[0022]更進一步的，所述步驟1.2)中:
[0023]為增強基板的氨基化修飾效果，可以將硅烷偶聯劑APTMS、氨水及乙醇按體積配比1:2:5制備混合溶液,對基板進行修飾。
[0024]所述步驟2為:DNA水溶液濃度不超過I X 10_3M，配制時選擇磁力攪拌器以小于350轉/min的速度溶解不少于8小時，DNA水溶液配制好后保存于4°C的超低溫冰箱中待用。
[0025]所述步驟3為:將保存在低溫環(huán)境中的DNA母液稀釋后，將溶液置于基板的一端，用蓋玻片從左至右緩慢壓覆、抽動，利用水膜的運動和靜電吸附作用將DNA涂布于基板表面，水膜拉伸的次數根據所需薄膜的厚度決定。
[0026]本發(fā)明還提供采用前述高分子DNA納米薄膜制備方法制備得到的高分子DNA納米薄膜。
[0027]本發(fā)明提供了一種均勻致密的DNA納米薄膜層，該薄膜層可以直接作為光電產品使用，生物材料或以分子模板的形式進一步組裝具有復雜結構的納米材料。本發(fā)明制備的天然DNA納米薄膜不僅具有分散均勻、組分單一和沉積厚度可控等優(yōu)點。而且真正實現了以高分子DNA為基礎材料制備新型功能材料的目的，進一步拓展了天然DNA在環(huán)境凈化、納米、光電學和生物醫(yī)用材料等領域的應用潛力。
[0028]具體而言，本發(fā)明具有以下技術優(yōu)點:[0029]1.本發(fā)明使用的設備簡單，制備過程環(huán)境友好，常壓室溫下即可完成；
[0030]2.本發(fā)明所屬DNA納米薄膜加工程序。其操作方式可以手工操作或以自動化設備以操作條件制備；
[0031]3.本發(fā)明制備的DNA薄膜均勻性、致密性好，可以通過選擇不同形狀、大小的基板進行生產，有大規(guī)模工業(yè)化應用的潛力；
[0032]4.本發(fā)明制備的納米薄膜厚度控制與成膜速度控制簡易，通過調節(jié)天然DNA水溶液的濃度、沉積時間和通過蓋玻片壓覆水動力拉伸次數，可以較好的控制成膜的速度和密度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1是天然DNA納米薄膜制備過程示意圖；
[0034]圖2是玻璃基板預處理示意圖；
[0035] 圖3是用硅烷偶聯劑APTMS (3_氨丙基二甲氧基硅氧烷)修飾基板的方法不意圖；圖中，1、基板；2、玻璃培養(yǎng)皿；3、配制好的硅烷偶聯劑APTMS修飾液；
[0036]圖4是通過水動力拉伸法和DNA自組裝過程涂布DNA納米薄膜層在玻璃基板表面的涂布方式示意圖；圖中，21、蓋玻片；22、基板；23、DNA溶液；24、涂布好的DNA薄膜；
[0037]圖5是用熒光顯微鏡(FM)表征DNA納米薄膜的熒光表征方法示意圖(DNA使用熒光標記無Y0Y0-1，熒光激發(fā)波長470~490nm，發(fā)射波長>520nm);圖中，31Y0Y0-1標記后的DNA薄膜層，32熒光顯微鏡專用鏡油，33載玻片，34熒光顯微鏡鏡頭。
[0038]圖6是典型天然高分子DNA材料納米薄膜熒光顯微鏡(FM)照片，(A)為通過前述方法制備的致密型DNA薄膜，由較高濃度的DNA溶液(I X 10_5M)得到；(B)為通過前述方法制備的分散型DNA薄膜，由較低濃度的DNA溶液(I X I(T6M)得到。
【具體實施方式】
[0039]參見圖1~6。
[0040]本發(fā)明的制備方法包括下述步驟:
[0041](I)基板預處理
[0042]本發(fā)明的基板為Si基板、二氧化硅基板、ITO玻璃或Al2O3玻璃板。首先，將基板置入丙酮溶液中，同時用超聲波對置于丙酮溶液中的基板清洗不少于五分鐘。其次，將清洗過的基板置入配制好的強氧化溶液中，加熱溫度90°C條件下保持10分鐘。強氧化溶液使用濃硫酸(濃度> 98%)和H2O2 (濃度為30%)按3:1至7:1的配比配制皆可。目的是去除基板表面殘留的有機物和雜質，使基板表面發(fā)生羥基化。最后，用大量清水沖洗基板表面，清洗干凈后置于清潔柜中預先準備好的支架上待用。
[0043]原理:H2S04+H202 — H30++HS04_+0生成的原子氧是極強的氧化劑。
[0044]注意:1、配制溶液時要將雙氧水溶液非常緩慢的加入濃硫酸中，避免沸騰，待溶液冷卻后，再進行加熱；
[0045]2、雙氧水H2O2濃度不可過高，否則會發(fā)生爆炸；
[0046]3、操作需要橡膠手套和合適的面部保護，在通風櫥或室外進行；
[0047]4、制備好的強氧化劑溶液不可長時間保存，每次制備須使用新鮮溶液。[0048](2) DNA水溶液的配制與保存
[0049]高分子DNA來源于自然界生物體，是雙鏈DNA。一個典型的來源就是水產副產物一鮭魚精巢。DNA水溶液的濃度一般根據沉積薄膜的密度要求而定，一般不超過IX 10_3M。配制時選擇磁力攪拌器以小于350轉/min的速度溶解不少于8小時，DNA水溶液配制好后保存于4°C的環(huán)境中待用。
[0050]注意:DNA水溶液不宜使用強力攪拌機，避免較長時間在強光下照射，否則會導致DNA分子鏈過于短小，在水動力拉伸時無法實現DNA的納米線狀結構涂布。
[0051](3)基板的修飾
[0052]基板修飾試劑采用3-氨丙基三甲氧基硅氧烷(簡稱APTMS)和乙醇按體積比例制備的混合液。
[0053]硅烷偶聯劑APTMS化學結構式為:
[0054]
【權利要求】
1.高分子DNA納米薄膜制備方法，其特征在于，包括下述步驟: 1)基板表面羥基化和氨基化處理； 2)配制DNA水溶液； 3)將DNA水溶液稀釋后涂布于基板表面，形成DNA納米薄膜。
2.如權利要求1所述的高分子DNA納米薄膜制備方法，其特征在于，所述步驟I)包括: 1.1)基板預處理一羥基化:強氧化劑溶液清洗基板，去除表面殘留有機物和雜質，將基板表面羥基化； 1.2)基板的修飾一氨基化:將羥基化預處理后的基板以3-氨丙基三甲氧基硅烷修飾使基板表面氨基化。
3.如權利要求2所述的高分子DNA納米薄膜制備方法，其特征在于，所述步驟1.1)為: 首先，將基板置入丙酮溶液中，同時用超聲波對置于丙酮溶液中的基板清洗5~15min ； 其次，將清洗過的基板置入加熱的強氧化溶液中，以去除基板表面殘留的有機物和使基板表面發(fā)生羥基化；強氧化溶液使用濃硫酸和濃度為30%的H2O2,按H2SO4: H2O2=1: 3~1:7的體積比配比配制； 最后，清水沖洗基板表面。
4.如權利要求2所述的高分子DNA納米薄膜制備方法，其特征在于，所述步驟1.2)為: 首先，將3-氨丙基三甲氧基硅烷按體積比1:3~1:5的比例緩慢加入純乙醇溶液中，混合均勻得到混合溶液； 其次，將預處理好的基板用水和乙醇各清洗一遍后，沒入培養(yǎng)皿中硅烷偶聯劑稀釋液中不少于6小時； 最后，用乙醇清洗干凈后待用。
5.如權利要求2所述的高分子DNA納米薄膜制備方法，其特征在于，所述步驟1.2)為: 首先，按3-氨丙基三甲氧基氧烷、濃度為28%的氨水及乙醇按1:2:5的體積配比制備混合溶液； 其次，將預處理好的基板用水和乙醇各清洗一遍后，沒入培養(yǎng)皿中硅烷偶聯劑稀釋液中不少于6小時； 最后，用乙醇清洗干凈后待用。
6.如權利要求2所述的高分子DNA納米薄膜制備方法，其特征在于，所述步驟2中，DNA水溶液濃度不超過I X IO-3M,配制時選擇磁力攪拌器以小于350轉/min的速度溶解不少于8小時，DNA水溶液配制好后保存于4°C的環(huán)境中待用。
7.如權利要求2所述的高分子DNA納米薄膜制備方法，其特征在于，所述步驟3中，DNA溶液濃度優(yōu)選范圍為I X KT5M~I X 10_6M。
8.如權利要求4所述的高分子DNA納米薄膜制備方法，其特征在于，所述硅烷偶聯劑為氨丙基三乙氧基硅烷、縮水甘油迷氧基丙基三甲氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基二乙氧基硅烷、乙烯基二乙氧基硅烷、疏丙基二甲(乙)氧基硅烷、乙二胺丙基三乙氧基硅烷或乙二胺丙基甲基二甲氧基硅烷。
9.如權利要求4所述的高分子DNA納米薄膜制備方法，其特征在于，所述基板為Si基板、二氧化硅基板、ITO玻璃或Al2O3玻璃板。
10.采用權利要求1的高分子DNA納米薄膜制備方法制備得到的高分子D NA納米薄膜。
【文檔編號】C03C17/28GK103482884SQ201310389918
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年8月31日 優(yōu)先權日:2013年8月31日
【發(fā)明者】蒲生彥, 許文來 申請人:成都理工大學